Viral infection and transmission in a large well-traced outbreak caused by the Delta SARS-CoV-2 variant
Baisheng Li et al.
Guangdong Provincial Center for Disease Control and Prevention, Guangzhou, Guangdong, China
Li B, Deng A, Li K, et al. Viral Infection and Transmission in a Large Well-Traced Outbreak Caused by the Delta SARS-CoV-2 Variant. medRxiv. 2021 Jul 12;
https://doi.org/10.1101/2021.07.07.21260122
コメント
初稿が、改訂されていたので、概要をアップデータした。
概要
中国本土で初めてSARS-CoV-2デルタ型の局所的感染が発生したことを報告する。167名の感染者はすべて、最初の指標となった症例にまで遡ることができた。隔離された被験者を対象に毎日逐次PCR検査を行ったところ，2020年初頭に中国で発生した最初の流行波において，デルタ感染者のウイルス量は，A/B系統の感染者と比較して平均で約1000倍であった。
今回、126人のサンプルを用いて高品質なシークエンスを行った。疫学データの信頼性は高く、111件の感染イベントでは、ドナーとレシピエントのケースが判明していた。
感染のボトルネックは1～3ビリオンと推定され、ほとんどのマイナーな宿主内一塩基変異株（iSNV）はレシピエントに感染しなかった。
しかし、SARS-CoV-2の感染の不均一性も観察された。マイナーなiSNVが伝播した結果、今回のアウトブレイクで確認された30の置換基のうち、少なくとも4つの置換基が発生し、急速な広がりの中で、集団レベルのウイルスの多様性に宿主内変異株が寄与していることが明らかになった。
集団検査の頻度、症候性感染前の検疫、ウイルスゲノムサーベイランスのレベルなどの疾病管理活動は、世界的に増加しているデルタ変異株の流行を考慮して調整する必要がある。
SARS-CoV-2の世界的な広がりの中で、ウイルスの遺伝子変異が出現し、一部はより感染力が強い、あるいは宿主の免疫から逃れることができることが証明され、世界の公衆衛生に対するリスクが高まった1-3。2021年3月にインドで発生したCOVID-19の大規模な流行では、新たな遺伝子系統であるB.1.617が優勢であり、世界的に注目されている。スパイクタンパク質の変異L452R、T478K、P681Rを有するB.1.617.2という1つのサブリネージが、インドにおけるシーケンスされた症例の～28％を占め、急速に他のリネージに取って代わり、複数の地域や国で優勢になっている（https://outbreak.info/ 40）4。このB.1.617.2は、VOC（Variant of Concern）であるDeltaと呼ばれている（https://www.who.int/activities/tracking-SARS-CoV-2-variants 81）。このVOCのウイルス学的プロファイルを早急に明らかにする必要がある。
2021年5月21日、中国本土で初めてデルタ型の局所感染が確認された。20205年1月の初期の流行に対して行われてきたことと同様に、集団スクリーニング検査、接触者追跡の活性化、中央検疫・隔離などの厳格な介入が行われた。しかし、2020年の流行では感染が制限されていたのに対し、2021年の流行では世代を超えた連続的な感染が観察されている。本研究では、デルタ型SARS-CoV-2のウイルス学的プロファイルを明らかにするために、この流行から得られた疫学的、遺伝学的、血清学的データを調査し、この新種のウイルスに対抗するための介入戦略をどのように改善する必要があるかを議論した。
結果
ウイルスが最初に検出された日のデルタ感染症のウイルス量は、初期の19A/19B株感染症のウイルス量の1000倍以上であった。
本文
2021年5月21日に確認された最初の指標となる症例から、2021年6月18日に報告された最後の症例まで、合計167件の局所感染が確認された（図1A）。これらの症例はすべて、疫学的または遺伝学的に最初の指標となる症例にまで遡ることができた。Delta型の疫学的特徴として、初期の武漢株や他のVOC型と比較して発病間隔が短いことが挙げられる6-8。
しかし、発病前の重要なパラメータ、すなわち、曝露後に被験者からウイルスが検出される時期や、ウイルスの感染力などについては、依然として不明な点が多い。
ここでは、今回の流行で隔離された被験者のデータを調査し、19A/19B遺伝子型による前回の2020年の流行と比較した。中心となる隔離対象者は、確認された症例／無症候性感染者の密接な接触者である。新たな感染者が確認されると、その近親者は直ちに追跡され、中央に隔離され、毎日PCR検査が行われた。隔離された対象者のデータセットから、感染した対象者が曝露されてからPCR検査で検出可能なウイルス量に達するまでの時間を特定することができた。
家族内感染の正確な暴露時間を特定することが困難であることを考慮し、時間間隔の分析から家族内感染のペアを除外した。その結果、隔離された集団（n=29）における感染から最初のPCR陽性までの時間間隔は、2020年の流行では6.00（IQR 5.00-8.00）日（ピークは5.61日）、2021年の流行（n=34）では4.00（IQR 3.00-5.00）日（ピークは3.71日）であった（図1B）。
次に，SAS-CoV-2ウイルスが宿主から初めて検出されたときの相対的なウイルス量を評価した。19A/19B株と比較して，ウイルスが最初に検出された日のDelta variant感染症（62例，ORF1ab遺伝子のCt値24.00（IQR 19.00~29.00））の相対ウイルス量は，19A/19B株感染症（63例，ORF1ab遺伝子のCt値34.31（IQR 31.00~36.00））の1260倍であった（図1C）。
隔離されていた中央部の被験者に対して隔離開始から毎日行われていた検査を考慮すると、デルタ型の宿主内での増殖率が高く、ウイルスのヌクレオチドがPCRの検出閾値を超えた時点でウイルス量が多くなることが提案された（図1D）。
Romanら9.の研究と同様に、Ct値が30以上のサンプル（6×105:10の5乗コピー/mL未満のウイルス）からは、体外で感染性の分離株が得られないことがわかった。一方、19A/19B型では19.05％であったのに対し、Delta型では80.65％の検体で6×105コピー/mL以上のウイルスが検出された。これらのデータは、Delta型が感染の初期段階でより多くの感染力を持つ可能性を示している（図1D）。
周知のように、感染後にはウイルスの力価が低すぎて検出できない潜伏期間がある。しかし、宿主の中でウイルスの増殖が続くと、やがてウイルス量が検出可能なレベルに達し、感染するようになる。感染者がいつウイルスを拡散できるかを知ることは、感染の連鎖を断ち切るための介入戦略を考える上で不可欠である。
しかし、感染の50％以上は症状が出る前の段階で発生しているため、臨床研究でこの点を調べることは困難である10。隔離された被験者を対象とした調査では、デルタ型では、ウイルスに感染してからウイルスが検出されるまでの期間が3.7日と最も長く、ウイルスが初めて検出されたときの感染・伝播リスクが高いことが示唆された。これを受けて政府は、広州市内の空港、駅、シャトルバスの駅から出国する人に対して、COVID-19検査が陰性であることを証明する書類を6月6日から72時間以内に提出することを義務づけ、6月7日にはさらに48時間に短縮した。
図1：広東省におけるデルタ型SARS-CoV-2変異株の疫学と早期発見の概要。(A)5月21日に発生した最初の指標となる患者から発生した167件の検査室で確認された感染症の時系列データ。日ごとの新規感染者数を赤で、高品質な配列（カバー率95％以上）のサンプルを青で示した。(B) 隔離された被験者が感染してから最初のRT-PCR陽性反応が出るまでの期間を推定した。Delta変異株（n=34）と19A/19B株（n=29）による感染症のRT-qPCR陽性への曝露間隔のベストフィッティング分布。線は間隔の最適な分布を表す。棒グラフは間隔の累積数（日）を表す。(C）スクリーニング検査で初めて陽性となった隔離対象者のDelta変異株感染者（n=62）と19A/19B株の既往感染者（n=63）のCt値。点は、ORF1ab遺伝子（左）とN遺伝子（右）のRT-PCRによるCt値の分布を示す。箱ひげ図は中央値と四分位範囲（IQR）を示し、ひげは最大値と最小値を表す。(D) ウイルスの増殖速度とウイルスが初めて検出された日（Day0）の相対的なウイルス量の関係を示す模式図。0日目の19A/19B株とデルタ変異株の感染時のウイルス量を算出した。紫の破線はRT-PCR法の検出限界、赤の破線は感染性ウイルスが分離される可能性のある下限を示す。
宿主間で感染し、ウイルス集団に固定されるマイナーなiSNV
広東省における薬剤以外の介入は、主に疫学調査、接触者追跡、集団検査に重点が置かれている。2021年5月26日から2021年6月8日までに約3,000万回のPCR検査が行われている。ハイリスク集団に対する集中的な検査とスクリーニングにより、隠蔽感染の可能性は低く、特定されたすべての感染者は、直接的（直接接触による）または間接的（同じ地域に滞在または訪問）につながっている可能性がいる。
さらに、すべての配列は、最初の指標となる症例に遺伝的にさかのぼることができた。これにより、ウイルスの伝播をより詳細に、特に宿主間で伝播するウイルスの遺伝的多様性の範囲を明らかにすることができた。イルミナ社のプラットフォームでArticプライマーセットを用いて、同定されたすべての感染症に対して全ゲノムのディープシーケンスを行ったところ、同定された全感染症の75％をカバーする126の高品質なウイルスゲノム（カバー率95％以上）が得られた（図1A）。
2020年3月から2021年6月の間に66か国から広東省に渡航した輸入症例の346配列を含めて系統解析を行った。参照配列については、nextstrain分類（https://nextstrain.org/ 18）と通知されたVOC（Alpha、Beta、Gamma、Delta）に基づいて、定義された各クラッド（13クラッド）から50ゲノム配列をランダムに選択した。これらの輸入症例におけるウイルス系統分布の動態は、世界レベルでのSARS-CoV-2の遺伝子系統の循環をほぼ明らかにするとともに、中国・広東省における疾病管理・予防の課題を浮き彫りにした（図2A）。
各サンプルのコンセンサス配列をもとに、広州で発生したウイルスの系統図を作成した。枝はサンプル間のコンセンサス配列の変異数を示し、X軸は参照配列（Wuhan-Hu-1, MN908947）からの総変異数を示している。各サンプルのコンセンサス配列は、各位置での過半数の変異（50％以上）に基づいて生成された。広州で発生したすべての配列は、1つのクラスターに分離した（図2A）。最初のインデックスケース（XG5137_GZ_2021/5/21）と比較して、26日間のアウトブレイク期間中に126例から31の置換が確認された（図2B）。最も離れた配列では、指標となる症例との差はわずか4ヌクレオチドであった。このことから、SARS-CoV-2は比較的置換率が低いため、感染経路を純粋にコンセンサス配列に基づいて推測することは困難であると考えられる11-13。
ウイルスの拡散に伴うマイナーな配列変化を推測するために、指標となる症例（XG5137_GZ_2021/5/21）のコンセンサスゲノムに多型部位をマッピングして、宿主内一塩基変異（iSNV）のリストを作成し、各サンプルの宿主内ウイルスの多様性を推定した。マイナーiSNVは、PCRやシークエンスのエラーの可能性を排除するために、マイナーアレル頻度の閾値を3%に設定して呼ばれました12,14,15。31カ所の置換位置のうち10カ所にマイナーな宿主内一塩基変異（iSNV）を持つ配列があり、流行中にどのようにして変異体が出現し、成長し、最終的に固定化されたのかを明らかにすることができた。
これらのマイナーなiSNVを持つ配列をリストアップしたところ、対応する変異株が固定された配列が見つかった（図2B）。SARS-CoV-2の流行で観察された蓄積された遺伝的変異は、個体内でのde-novo変異によるものなのか、それともiSNVが伝播して新しい宿主に固定されたものなのか、という疑問に答えたいと思う。接触者の追跡と疫学調査により、これらの配列の疫学的関連性を高い信頼度で特定することができた。図2Cに示すように、少なくともいくつかのマイナーなiSNVは、ドナーからレシピエント（複数）への感染に成功した。マイナーなiSNVであるC27086Tは、インデックスケースから3人のレシピエントのうち2人に感染した。
ウイルスの拡散に伴い、この置換はアウトブレイクのウイルス集団で固定化された（図2B）。また、6191例、5371例、6486例で見つかったC925T、T21673C、G27265Tの置換は、対応するiSNVがドナーの可能性があるものにさかのぼることができた（図3C）。しかし、サンプル5851と5859のG11083T、サンプル5851のG21137AとT25082GなどのマイナーなiSNVは、頻度が低いため（閾値は3％）呼び出せなかったが、参照ゲノムにマッピングされたリードに観察されることがわかった（図S1）。高密度サンプリングとシーケンスにより、流行中に発生した遺伝的変異は、少なくとも部分的にはドナーとレシピエントの間のiSNVs感染によるものであることが示されたが、連続したiSNVs感染はおそらくウイルス感染に対する介入のために観察されなかった。さらに重要なことは、1人のドナーが複数のレシピエントを持つ場合、この感染が繰り返し観察されたことである（図2C、サイト27086）。
このような状況では、ウイルスが急速に広まったときに、感染を促進する、あるいは免疫を逃れるSARS-CoV-2のiSNVが発生し、定着する可能性が高いと考えられる。
図2：広州で発生したウイルスの系統図と感染動態。(A)
nextstrainパイプラインを用いて、2020年1月～2021年6月に地元での感染と輸入症例から収集した異なる遺伝子系統、VOC、広東省の配列からランダムに選択した配列を含めて、時間分解した系統樹を構築した。2021年5月21日～2021年6月18日に発生したDelta変異株の配列を赤枠で強調した。広東省で同定されたSARS-CoV-2系統の動態を下段に示した（B）広州で発生した感染症のサンプル126配列の最尤ツリー。SNV頻度(%)は、ツリーに隣接する色付きのドットで示されている。(C) (B)のマイナーなiSNVを持つ配列と、これらの分散が固定された（変化頻度が50%以上）配列との感染関係。円グラフは、iSNVの頻度を表している。矢印は、信頼度の高い直接接触感染を示す。ダッシュラインは、サンプルされた2つの配列の間で、直接または間接的な感染が起こっている可能性を示している。
本研究では、中国本土におけるSARS-CoV-2デルタ型の初の局所感染に由来する大規模な感染連鎖を特徴づけるものである。その結果、デルタ型のウイルス複製速度が高い可能性が示唆され、検査で陽性と判定された日のデルタ型感染者のウイルス量は、19A/19B型感染者の約1000倍になることがわかった。
このことから、感染初期にDelta株の感染力が高まる可能性が高く、介入のためには集団スクリーニングの頻度を最適化する必要があると考えられる16。Delta 変異株の感染力は症状が出る前の段階で高いため、感染が疑われる症例や密接な関係にある人は、臨床症状が出る前やPCRによるスクリーニングを行う前に、適時隔離する必要がある。
宿主内のSNVは低レベルであるが、流行期間中にウイルス集団内で固定された置換の一部に起因する軽微なiSNVの伝播が観察された。これらのデータは、たとえ低頻度であっても、有利な変異や中立的な変異が感染の一世代で増加して固定化され、流行がうまく抑えられない場合には、さらにウイルス集団の中で優勢になる可能性があることを示している。
コメント
中国初のデルタ株のクラスターの解析である。広東省で、2週間で3000万回のPCR検査を実施している。日本であり得ない数である。
集団スクリーニングの頻度を最適化する必要があると指摘している。
また、初期のSARS-CoV-2と比較して、デルタ株に最初に感染した人のウイルス量が、1000倍以上も多かったという結果は驚異的である。
下記は引用である。
最近、中国の広東省疾病予防管理センターの研究陣が、こうした疑問を解消しうる一つの糸口を見つけ、ウイルス学分野のオンラインフォーラム「バイロロジカル(virological)」に発表した。同研究陣が感染者についての疫学、血清、遺伝子データの分析を通じて発見した強い感染力の原因は二つだ。 一つは、デルタ株の増殖スピードが初期ウイルスとは比較にならないほど速いということ。もう一つは、潜伏期間が短いということだ。 中国でデルタ株の感染者が初めて確認されたのは5月21日のこと。研究陣は、その日から6月18日までに広東省の省都広州で確認された感染者167人のうち、デルタ株への感染者62人と、2020年初めの元祖新型コロナウイルスへの感染者63人のウイルス検出量を比較分析した。
その結果、感染者がデルタ株に感染し、体内での増殖を経て陽性反応を示すまでにかかる時間は平均4日だった。デルタ株は体内の増殖を通じて検出可能な水準に達するのに、平均で約4日かかるということだ。これは、昨年のコロナ禍初期のウイルスの平均6日より2日も短い。検出が可能だということは、ウイルスが体外に飛び出す準備ができていることを意味する。また、この時のウイルス濃度は、変異前の新型コロナウイルスの最初の濃度より最大で1260倍も高かった。このようなデータは、デルタ株の方が感染の初期段階において感染を広げる危険性が高いということを示していると研究陣は述べる。
蔚山大学医学部のチュ・チョルヒョン教授(微生物学)は「査読を経た論文ではないものの、実験方法や結論などに特に無理はなさそうだ」と評価した。
分析期間中にも絶えず微細な変異が発生
研究陣はまた、同じ期間内に全感染者の75％に当たる126人から抽出したウイルスの遺伝的多様性を分析したところ、1カ月足らずで31人のウイルスで微細な変異が発生していたことを確認した。1つのウイルスから最大で4つのヌクレオチド（RNAを構成する最小単位）が異なるものに変わっていた。研究陣は、このうち10種のウイルスは宿主に安定的に定着し、そのうちの一部は他人に感染する可能性があることも確認した。 チュ教授は「126人の感染者に対する遺伝子分析を通じて、多様な微細変異が出現し続けており、この中で感染に有利なものが絶えず選択されているということを確認させてくれる研究結果」と述べた。
昨年にはドイツの科学者たちが、2003年のSARS以来16年ぶりに登場した「SARSコロナウイルス2(新型コロナウイルスの正式名称)」の感染初期の増殖スピードはSARSの1000倍に達するという研究結果を発表している。デルタ株はこれに匹敵する大きな変身をわずか1年で成し遂げたことになる。これは、新型コロナ拡散の早期遮断の失敗が、ウイルスが1億人を超える人間の宿主の体内で変異を繰り返し、進化を加速させる契機を作ってしまったということを示唆する。
デルタ株(B1617.2)は、インド発の変異株(B1617)の3つの下位類型の一つで、2020年12月に初めて発見された。コロナウイルスの外皮に突出しているスパイクタンパク質の3カ所で変異を起こしたウイルスだ。スパイクタンパク質は、コロナウイルスが細胞に侵入する際に、その突破口を切り開く道具として使われる物質だ。デルタ株は今年に入ってインドの第2波中に急速に広がり、他の下位類型を抜いて3月からインドの優勢種となっている。13日に発表された世界保健機関(WHO)の週間ブリーフィングによると、現在までにデルタ株感染者が確認されている国は111カ国にのぼる。
ニューロドクター乱夢随想録 